光電導

光吸收使半導體形成非平衡載流子，而載流子濃度的增大必須使樣品電導率增大，這種由光照引起半導體電導率增加的現象稱為光電導效應。本徵吸收引起電導稱為本徵光電導。

基本介紹

• 中文名：光電導
• 外文名：Photoconductivity
• 含義：半導體受到光照時導電性增加
• 套用：光敏電阻

光電導簡介

當半導體材料受光照時，由於對光子的吸收引起載流子濃度的變化，導致材料電導率的變化，這種現象稱為光電導效應。當光子能量大於材料禁頻寬度時，將價帶中的電子激發到導帶，在價帶中留下自由空穴，從而引起材料電導率的變化，稱為本徵光電導效應；雜質半導體中，被束縛在雜質能級上未被激發的載流子吸收光子能量後，使電子從施主能級躍遷到導帶或從價帶躍遷到受主能級，產生光生自由電子或空穴，從而引起材料電導率的變化，則稱為雜質光電導效應。

可見光波長的範圍為380~760 nm，由於不同光源的光子具有不同的能量，所以並不是所有的光子都能對光電導效應作出貢獻。如對於本徵激發，只有那些能量大於或等於禁頻寬度的光子才能產生本徵激發，即產生激發的光波長λ₀應滿足下式：

λ₀=hc/E_g

式中，c為光速，h為普朗克常數，E_g為半導體禁頻寬度。

將具體E_g值、普朗克常數和光速代入上式，可求出具體的λ₀值，確定產生激發光的波長。對非本徵光電導效應，由於不是能帶間的激發，所以激發光的波長可以較長，如紅外波等。本徵光電導效應和非本徵光電導效應可在半導體中同時存在，由上式可知，某種半導體並非對所有波長的光都能產生光電導效應，只有那些具有足夠高能量波長的光照射才能使半導體中的電子或空穴被激發成為載流子，否則再強的光照射也不能使半導體產生光電導效應。

光電導探測器

利用半導體光電導效應製成的器件稱作光電導器件（也稱光導探測器）。這種器件的電導能夠隨著入射輻射變化，從而感知溫度的變化。最典型的光電導探測器是光敏電阻，其工作原理如第一節光電導效應中所述。它的機理很複雜，但器件的結構卻十分簡單，只是在一塊勻質的光電導體兩端加上電極即成。

光電導探測器的原理是半導體的光電導效應，在上一節中已詳細介紹。上圖所示為光敏電阻的工作原理。圖中，在光敏電阻兩極間加上一定電壓V，當光照射在光敏電阻上時，其內部被束縛的電子吸收光子能量成為自由電子，並留下空穴。光激發的電子-空穴對在外電場的作用下同時參與導電，從而改變了光敏電阻的導電性能。隨著發光強度的增加，其導電性能變好，即光敏電阻的電導率增加，流過其內的電流（光電流）增加。其本身的電阻值減小。隨著發光強度的減小，其導電性能變壞，即光敏電阻的電導率減小，流過其內的電流（光電流）減小，其本身的電阻值增加根據熱平衡狀態下半導體電導率公式，可推算出在光輻射作用下產生的光電流為：

式中，qN為光電子形成的內部電流；V為光敏電阻兩端的電壓；L為光電導體的長度；τn、τp為光輻射下每單位時間內產生N個電子-空穴對的各自壽命；μn、μp別為電子和空穴的遷移率。

由此可見，光敏電阻的光電流與入射的光子數、量子效率和光電導體長度L以及加在其兩端的電壓大小等因素有關。其電流大小與L的二次方成反比，因此在設計光敏電阻時，常設法將L減小，使光電流增大。

光電導材料

半導體受光照而引起電導率的改變，最早是1873年W.史密斯在硒上發現的，20世紀的前40年內，又先後在氧化亞銅、硫化鉈、硫化鎘等材料中發現，並利用該現象製成幾種可用作光強測量及自動控制的光電管。自20世紀40年代開始，由於半導體物理學的發展，各種半導體的光電導得到了充分研究，並由此發展了從紫外、可見到紅外各個波段的輻射探測器。

半導體的光電導是指光照射到半導體時產生電子的躍遷，引起半導體電導率改變的現象。導致光電導現象最基本的物理過程是通過光激發，在半導體中產生自由載流子，根據自由載流子的來源，光電導效應可分為本徵光電導和雜質光電導兩種。

對於本徵半導體，當處於熱平衡狀態時，有確定的載流子濃度，稱為平衡載流子濃度，如果入射光子能量大於半導體禁頻寬度，價帶頂的電子就躍遷到導帶，同時在價帶中形成空穴，產生非平衡附載入流子，這種光電導效應稱為本徵光電導效應。由於非傳導態電子變為傳導態電子，引起載流子濃度增大，因而導致材料電導率增大。半導體無光照時為暗態，此時材料具有暗電導。

如果給半導體材料外加電壓，通過的電流有暗電流與亮電流之分，而亮電流與暗電流之差稱為光電流。對摻雜半導體，除上述本徵效應外，還可產生電子從禁帶中的施主能級激發到導帶和空穴從受主能級激發到價帶的躍遷，從而也產生非平衡附載入流子，此過程稱為雜質光電導效應。

光電導材料從光照射到表面的瞬間開始，能帶中的載流子濃度將不斷增加。但隨著載流子的增加，複合的機會也增多，經過一段時間後，就會達到載流子因光激發而增加的速率與因複合而消失的速率相等的穩定狀態。同樣光照停止後，光電流也會逐漸消失，這些現象稱為弛豫過程或惰性。光電導材料受矩形脈衝光照時，常用上升時間常數τ₁和下降時間常數τ₂來描述弛豫過程的長短。τ₁表示光生載流子濃度從零增長到穩態值63%時所需要的時間τ₂表示從停止光照前穩態值衰減到37%時所需要的時間。在這一壽命時間內，光生載流子可在內場、外場或濃度梯度場等的影響下運動，從而觀察到各種不同的和光電導過程有關的光電效應。例如在外電場和均勻材料情況下，用適當的電子線路可以測量光生載流子所輸出的光電流，該效應為光電導效應，可以用來製造光敏電阻，實現各種自動控制，CdS和CdSe是燒結型光敏電阻用光電導陶瓷材料；在P-N結和無外電場情況下，則觀察到光伏效應，可製造太陽能電池，解決人類面臨的能源危機，Ⅱ-Ⅵ族（CdS、CdTe）、III-V（GaAs、InP）及Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ₂族（CulnSe₂、CuInS₂）常用作薄膜型太陽能電池用光電導陶瓷材料。